[OTHER]wifi無線訊號傳輸衰減和距離的關係公式[室內地圖]

wifi無線訊號傳輸衰減和距離的關係公式[室內地圖]

無線通訊距離的計算

  一、dBm  dBmV   dBuV換算關係 
  dBm=10log(Pout/1mW)，其中Pout是以mW為單位的功率值
  dBmV=20log(Vout /1mV)，其中Vout是以mV為單位的電壓值
  dBuV=20log(Vout /1uV)，其中Vout是以uV為單位的電壓值
  換算關係：
   Pout＝Vout×Vout/R
   dBmV=10log(R/0.001)+dBm，R為負載阻抗
   dBuV=60+dBmV 
         
   二、無線通訊距離的計算 
    這裡給出自由空間傳播時的無線通訊距離的計算方法：所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。
                   通訊距離與發射功率、接收靈敏度和工作頻率有關。
                   [Lfs](dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)
                   式中Lfs為傳輸損耗，d為傳輸距離，頻率的單位以MHz計算。
                   
由上式可見，自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關，當f或d增大一倍時，［Lfs］將分別增加6dB.
                   下面的公式說明在自由空間下電波傳播的損耗
                   Los = 32.44 + 20lg d(Km) + 20lg f(MHz)
                   Los 是傳播損耗，單位為dB
                   d是距離，單位是Km
                   f是工作頻率，單位是MHz
                   
            下面舉例說明一個工作頻率為433.92MHz，發射功率為＋10dBm(10mW)，接收靈敏度為-105dBm的系統在自由空間的傳播距離：
                   1. 由發射功率+10dBm，接收靈敏度為-105dBm
                   Los = 115dB
                   2. 由Los、f
                   計算得出d =30公裡
                   
   這是理想狀況下的傳輸距離，實際的應用中是會低於該值，這是因為無線通訊要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計入上式中，即可計算出近似通訊距離。
                   假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計算得出通訊距離為：
                   d =1.7公裡
               結論: 無線傳輸損耗每增加6dB, 傳送距離減小一倍
            
   三、射頻/傳輸線概念
                        
3.1傳輸線的一些概念                          
                         
       串連天線和發射機輸出端（或接收機輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸訊號能量，因此，它應能將發射機發出的訊號功率以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端，或將天線接收到的訊號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，同時它本身不應拾取或產生雜散幹擾訊號，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。順便指出，當傳輸線的物理長度等於或大於所傳送訊號的波長時，傳輸線又叫做長線。 
3.2傳輸線種類：
超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；
微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。
平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用於UHF頻段。
同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和屏蔽銅網，因銅網接地，兩根導體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率範圍寬，損耗小，對靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對磁場的幹擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路並行走向，也不能靠近低頻訊號線路。 
3.3傳輸線特徵阻抗 ：無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Ｚ0 表示。 
                              同軸電纜的特性阻抗的計算公式為 ：
                              Ｚ。＝〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。 
                   式中，D 為同軸電纜外導體銅網內徑； 
                              d 為同軸電纜芯線外徑； 
                              εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。 
通常Ｚ0 = 50 歐 ，也有Ｚ0 = 75 歐的。 由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質的介電常數εr有關，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關 。
3.4饋線衰減係數 ： 訊號在饋線裡傳輸，除有導體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。單位長度產生的損耗的大小用衰減係數 ： β 表示，其單位為 dB / m （分貝／米），電纜技術說明書上的單位大都用 dB / 100m（分貝／百米） . 
設輸入到饋線的功率為Ｐ1 ，從長度為 L（m ） 的饋線輸出的功率為Ｐ2 ，傳輸損耗TL可表示為： 
                              TL ＝ 10 ×Lg ( Ｐ1 /Ｐ2 ) ( dB ) 
衰減係數為 β ＝ TL / L ( dB / m ) 
例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減係數為 β ＝ 4.1 dB /100 m ，也可寫成 β ＝ 3 dB / 73 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz的訊號功率，每經過 73 m 長的這種電纜時，功率要少一半。 而普通的非低耗電纜，例如， 
SYV-9-50-1， 900MHz 時衰減係數為 β ＝ 20.1 dB / 100 m ， 也可寫成 β ＝ 3 dB / 15 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz 的訊號功率，每經過15 m 長的這種電纜時，功率就要少一半！ 
3.5關於傳輸線阻抗的匹配與反射損耗： 饋線終端所接負載阻抗ＺL 等於饋線特性阻抗Ｚ0 時，稱為饋線終 端是匹配串連的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負載的入射波，而沒有由終端負載產生的反射波，因此，當天線作為終端負載時，匹配能保證天線取得全部訊號功率。當天線阻抗為 50 歐時，與50 歐的電纜是匹配的，而當天線阻抗為 80 歐時，與50 歐的電纜是不匹配的。 如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時天線的工作頻率範圍就較寬。反之，則較窄。 
         在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當地調整天線的局部結構，或加裝匹配裝置。 
     前面已指出，當饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸的只是向天線方向行進的波。這時，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點的阻抗都等於它的特性阻抗。而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等於饋線特性阻抗時，負載就只能吸收饋線上傳輸的部分高頻能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。 
四、駐波比 回波損耗 反射係數 行波係數 
4.1駐波比：它是行波係數的倒數，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全符合；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通訊系統中，一般要求駐波比小於1.5，但實際應用中VSWR應小於1.2 。
4.2  回波損耗：它是反射係數絕對值的倒數，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全符合 在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax   ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖmin  ，形成波節。其它各點的振幅值則介于波腹與波節之間。這種合成波稱為行駐波。 
4.3 反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射係數，記為 R 
                                    反射波幅度（ＺL－Ｚ0） 
                              R ＝ ───── ＝ ─────── 
                                    入射波幅度 （ＺL＋Ｚ0 ） 
                              波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波係數，也叫電壓駐波比，記為 VSWR 
                                      波腹電壓幅度      Ｖmax （1 + R） 
                              VSWR ＝ ─────── ＝ ──── 
                                      波節電壓輻度      Ｖmin （1 - R）

說明：WiFi所用頻段為微波頻段，因此，在設計WiFi無線網路時，可參考微波工程進行設計，具體可參考：
1、《微波工程》：http://bbs.itgoal.com/viewthread.php?tid=63498&highlight=%CE%A2%B2%A8%B9%A4%B3%CC
2、《Wireless Communication From Standford》：http://bbs.itgoal.com/viewthread.php?tid=311&highlight=wireless%2Bcommunication
3、《天線基本知識及應用》：http://bbs.itgoal.com/viewthread.php?tid=8311&highlight=%CC%EC%CF%DF